隨著人們對環(huán)境保護和氣候變化關注的增加勉瘩，越來越多的人開始選擇電動汽車作為出行的代步工具睬漩。然而，里程焦慮仍然是車主們的一塊“心病”。不過等缀，量子技術領域的突破為解決電動汽車的續(xù)航問題帶來了更多的可能性矛渴。

據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》近日報道，日本東京工業(yè)大學科學家研發(fā)的鉆石量子傳感器可將電動汽車的續(xù)航里程增加約10%颅停。該技術可精確測量儲存的電量谓晌，從而最大限度地提高車載電池的性能，他們的目標是最早在2030年將這項技術投入實際應用癞揉。

氮-空位(NV)中心是金剛石中形成的由氮(N)和空位(V)組成的點缺陷纸肉。圖片來源：日本東京工業(yè)大學官網(wǎng)

電動汽車電池測量有誤差

通常情況下，電動汽車電池的電流可達數(shù)百安培喊熟，但由于難以準確測量充電量柏肪，電池的設置容量比實際可儲存電量要少10%左右姐刁。

曲阜師范大學物理工程學院教授劉曉兵在接受科技日報記者采訪時表示，電動汽車電池電量難以測量的原因有多方面烦味。

例如聂使，電池電壓和電流的微小變化都會明顯影響電量的檢測，尤其對于磷酸鐵鋰LiFePO4電池谬俄，其放電曲線平緩柏靶，電芯電壓測量精度難以精確控制，傳感器的任何小幅度誤差都可能導致較大的電量測量誤差贼匾。

其次铛田，電池包通常由幾十個電池芯組成，整體性能由最弱的電芯決定瞪栋。精確評估電池電量需要對每一個電芯實時監(jiān)控嚣历，這對空間布置以及成本控制都提出了巨大挑戰(zhàn)。

此外琢账，電動汽車在運行過程中阻羞，由于電池處于持續(xù)變化的充放電狀態(tài)，這就要求傳感器能夠實時準確地監(jiān)測這些變化蟆蔫。然而忘拧，快速的充放電循環(huán)和動態(tài)的負載變化可能超出傳感器的快速響應能力。

“因此凿芦，如果有能以較高的精度測量充電量的傳感器溃擒，將能充分發(fā)揮車載電池的性能。”劉曉兵說铝框。

鉆石在量子傳感領域備受青睞

長期以來叮洋，鉆石憑借其相干氮-空位(NV)中心、可調(diào)節(jié)自旋褒侧、磁場敏感性以及在室溫下工作的能力良风，一直在量子傳感領域備受青睞。劉曉兵介紹說闷供，鉆石本身具有極高的化學穩(wěn)定性和物理耐用性烟央，是世界上硬度最高導熱性最好的材料，這也使得鉆石量子傳感器非常適合于惡劣環(huán)境長期應用歪脏。

東京工業(yè)大學和汽車零件生產(chǎn)企業(yè)矢崎總業(yè)公司就將目光投向了鉆石量子傳感器疑俭。他們在鉆石的部分結晶中設計特殊結構，使其具有在綠色激光照射下發(fā)出紅色熒光的性質(zhì)婿失。根據(jù)內(nèi)部電子的量子狀態(tài)钞艇，熒光的強度會發(fā)生變化。受周圍電流豪硅、磁力哩照、溫度的影響挺物，電子的量子狀態(tài)也會發(fā)生變化，因此根據(jù)熒光強度就可計算出磁力葡秒。

據(jù)報道躲窜，該傳感器可安裝在被稱為“母線”的金屬部件上。“母線”是蓄電池輸送電力的通道捺膳。傳統(tǒng)傳感器以1安培為單位測量電流大小咧笔，而新開發(fā)的傳感器以10毫安為單位，精度提高100倍诵两。因此垂票，可讓充電量接近電池實際可儲存電量，而不用預留10%的空間渔茉，電池的續(xù)航里程從而得以延長育需。

劉曉兵進一步解釋了鉆石量子傳感器的科學原理。他表示牡违，NV中心是鉆石晶格中的一個碳原子被氮原子替代阎揪，并伴隨一個相鄰位置的空位形成的復合缺陷，具有可操控和讀出的電子自旋態(tài)蛛最。通過光學激發(fā)海庆，可讀出其自旋態(tài)，進而得知外部環(huán)境信息磨镶。NV中心對外部環(huán)境極為敏感溃蔫，具有納米級的空間分辨率，在檢測環(huán)境微弱電場與磁場變化方面具有顯著優(yōu)勢琳猫，這使得鉆石量子傳感器在測量充電量方面具有巨大潛力伟叛。

各國爭搶量子鉆石高地

相較于已投入應用的超導量子干涉儀，鉆石量子傳感器具有更高的檢測靈敏度與空間分辨率脐嫂，而且具備操作簡單统刮、環(huán)境適應性強、應用范圍更廣等多種優(yōu)勢账千。

目前网沾，鉆石量子傳感器也成了國際量子競爭前沿領域之一。美國蕊爵、英國、歐盟等西方國家均將NV中心量子調(diào)控與量子傳感器應用作為重點支持方向桦山。

矢崎總業(yè)公司的目標是攒射，最早于2030年實現(xiàn)鉆石量子傳感器實用化，面向汽車制造商和零部件制造商供貨恒水。雖然現(xiàn)在周邊設備較大会放，但通過使用小型半導體激光等俗耗，可將量子傳感器大小縮小到10立方厘米大小，成本也與以往的電流傳感器相當匈惑。

不過缝聋，東京工業(yè)大學教授波多野睦子表示，最大的成本因素是鉆石庇鸭。用于制造量子傳感器的鉆石是人工合成的废徙，這與從礦山開采、用于珠寶首飾的天然鉆石不同狂嘉。使用廉價線路板爵孔，采用從沼氣中提煉鉆石的量產(chǎn)方法，可大幅降低制造成本询蚊。

劉曉兵稱神阔，我國作為電動汽車生產(chǎn)與消費的大國，量子級鉆石仍嚴重依賴國外進口因震，這也成為新能源汽車領域發(fā)展所面臨的一個重要問題吩捞。目前，他帶領的團隊與其他高校汁蝶、科研機構合作渐扮，成功制備出人造量子鉆石，我國山東超晶新材料公司已經(jīng)實現(xiàn)了厘米級量子鉆石的規(guī)拇┮牵化生產(chǎn)席爽。

劉曉兵認為，雖然鉆石量子傳感器目前面臨成本挑戰(zhàn)啊片，但考慮到其獨特性能和潛在應用只锻，以及后期技術進步帶來的成本降低，未來市場前景非常值得期待紫谷。